混合动力的前世今生对发动机的究极利用

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　　另外记住,文末有彩蛋,人人都有,记得去拿.
　　首发于:小林的杂七杂八
　　要说清楚这些,还是要从混动动力的基本原理说起.1.能量不可能凭空产生,节能,也不能.
　　传统的混合动力,并不能额外的从外界获取能量.所有的能量都还是来自于烧油的内燃机.
　　而内燃机这家伙有他自己的脾气;在某些区域干活会又快又省力,有些地方又快又吃力,有些地方不快还吃力.
　　这就是发动机的万有特性曲线,他有一万种工作态度…..
　　下面这张图就是这家伙的工作态度分布图.
　　由于我们之后所有的论述可能都会基于这张图的原理展开.
　　所以可能我们可能要先花点时间稍微知道一下这个图怎么看.
　　A.横坐标:是发动机的转速,与我们当前的车速与档位相关.
　　B.纵坐标:是发动机扭矩,在每一个转速上,都会有不同的扭矩输出范围,这取决去我们的油门开度,油门越大脚,扭矩越大.
　　C.一环一环上面标的数字:可以简单理解为发动机每出一份力,说需要烧掉的油,数字越小越好,越小越代表可以少花钱多办事.
　　这数字最小的那一个圈,就是发动机工作效率最高的区间.
　　以上,这些内燃机这个物种的天然属性,虽然通过后天的不断优化,尽可能的扩大维持峰值扭矩的转速范围,维持最高燃烧效率的工作区间.
　　比如,牛魔王最近出的热效率达到的40%的发动机,已经登峰造极了.
　　但,也只能极尽可能的优化而已.
　　而这可能是一个太排量比较适中的发动机.
　　我们分别来看看大排量发动机和小排量发动机的万有特性曲线图和我们日常驾驶中最经常使用的区间.
　　可以看到,在大排量的发动机上,我们经常是憋着油门在开.
　　而,在小排量发动机上我们要经常拉高转,轰油门来补偿动力的不足.
　　所以那些,小马拉大车,大马拉小车的传说存在还是有一定的道理.
　　只是,那些说:＂动力储备这东西,有纵臂没有好.＂对于我们斤斤计较过日子的小老百姓来说,就不一定适用了.
　　性能过剩,不光买车的时候要花成本,用车的时候也要花成本的.
　　我们的车买回来以后,不管我们买大了,小了,或者刚刚好的发动机.
　　并不会因为发动机的这种天生的脾气就惯着它.
　　并不会因为它排量大就天天带它下赛道飙车.
　　并不会因为它排量小就专门只走限速 40 的路.
　　即使我们主观上愿意,变速箱档位也不断的增多来尽可能的把工作区间调到那里去.
　　但是现实中的使用场景是在太复杂,基本上不太可能永远满足是发动机工作的最有效率区间.
　　我们可能在这个交通情况及其复杂的交通环境下,是不在发动机的最优工作区间.
　　虽然有了变速箱和主减速器这个调速调扭的机构存在,但是它只能让发动机满足我们各种加减速的需求.
　　对于在满足加减速需求的同时,满足始终让发动机工作这最优的工作区间,这个 100 个档位的变速箱可能也做不到.
　　再回到刚才那张图,看看我们我们日常驾驶的中,即使我们有了一台对日常驾驶来说排量合适的车.
　　那我们的驾驶过程中,分别对应的这张图中的哪些位置.
　　要么,我们在小油门的加速或者小油门下的巡航要么,我们在大油门的加速或者,我们很幸运的在一个发动机最舒适的区间巡航或加速这,巡航的话,这个车速可能在 70~80 左右.要么,我们在这几个状态的过渡区间.
　　这也就意味着,在我们日常驾驶中的很大一部分时间.
　　有时候,在一个车速下,发动机工作在最佳效率区间的话,产生动力的太多了,是会超速的.
　　而有的时候,在一个车速下,发动机工作在最佳效率区间的话,产生的动力是不够的,是维持不了车速的.
　　只有在很少数的情况下,刚好可以到发动机的甜蜜区间.
　　那有没有一种缓冲装置,可以不管当前的行驶车速和加速需求,都可以让发动机工作在最优效率区间呢.
　　如果产生的动力太多了,就先存起来.
　　如果产生的动力不够了,就把之前存起来的动力再拿出来用.
　　混合动力系统,就是这种装置.
　　通过:电机,电池,发动机的组合,巧妙的实现了这种平衡.
　　发动机动力过多的时候,存到电池里面.发动机动力不够的时候,从电池里面把动力要回来.
　　把发动机尽量作为一个产生能量的来源,而不是一个直接的驱动装置(至少不是一直是驱动装置.)
　　让他尽量多的工作在最有效率区间.
　　尽量的把电机作为直接驱动部件,而电机做这种事情不要太擅长,它没有发动机那么多的工作态度.
　　他可以要么恒扭矩要么恒功率的工作,而且只之间,效率并不会产生太大变化.
　　不行你看下面的图,到了边缘区域还是有 80%以上的能量转换效率.
　　所以,单独作为一个驱动单元来说,它是非常合适的.
　　只不过,它自己不能产生能量,需要发动机为它提供能量.
　　这就是混合动力系统的的基本原理,让各自的部件做自己擅长的事情.
　　然后,不管什么车速与负荷,尽量的让发动机工作在最有工作区间,安静的产生能量去.
　　然后,电池像一个水库一样,来吸收这些多的能量,或者适当的时候释放这些吸收的能量.
　　回到最开始说的:
　　能量不可能凭空产生与消失,就开能不能充分的利用好发动机.
　　利用得好,能量产生了就不会消失,迟早是我们恣意奔跑的澎湃动力.
　　利用得不好,就只能变成热量消散在风中了.
　　混合动力系统,就是目前能够尽可能利用发动机的系统.
　　混合动力系统的终极目的就是让发动机:要么不工作,要么就在最优效率区间工作.
　　不管我们怎么踩油门,踩多久,都还能维持住这个原则的话,那这就是一个完美的混合动力系统.
　　可惜,世界上没有这么多完美的事情.
　　要么,这个系统会不太能满足你一直粗暴操作,或者这个系统不能满足你一直一成不变的驾驶.
　　接下来,来看看一个个混合动力系统是怎么演变出来的.(纯属于我的个人臆测.)2.形式不是凭空想出来的，是因为需求-简单直接的串联式
　　上面不知道有没有能够把混合动力系统存在的意义给说个明白.
　　里面也说了,最理想的情况是是,让各自擅长的部件做自己最擅长的事.
　　电机擅长无脑驱动,发动机擅长无脑做功,电池可以把两个无脑的部件连接起来适应这个复杂的环境.
　　那,其实最理想的情况就是,让电机一直驱动,发动机一直只给电机或者电池提供能量.
　　这是我们发现混动这个调和器一个一拍脑袋就能想出来的混动形式
　　这就是串联式混合动力系统的由来,一种理想的乌托邦式的混合动力系统.
　　如下图所示,
　　这确实让每个部件都做自己最擅长的事情了.在大部分的日常起起停停的车速起不来的驾驶中,这个系统基本上是完美的.
　　只是,我们有些时候偶尔会需要一些急加速的.这时,电机成为唯一的驱动部件的时候,这个电机的性能就要足够强大了.这也还好,当当把驱动电机做到足够强大并不是难事,成本上也还能接受.
　　当我们持续的加速或者持续的高负荷(爬坡)的时候,之前走走停停中的存的电会逐渐的消耗完.变成只有通过发动机即时的发电来给驱动电机供电.
　　这时候,发动机成为了唯一的能量提供源,这就意味着发动机的储备动力要足够,发电机的性能就要足够好.
　　成本和重量继续上升中.
　　而且,当我们开始中高速巡航行驶的时候,理论上这是发动机最优工作区间.
　　在巡航初期的话,不管功率不足或者过剩,都可以有电池调和一下.
　　但是,长时间巡航下来,电池要么已经充满了,要么已经没电了.
　　这个时候又变成发动机一个人在寂寞的工作,虽然在相对高效率的区间,但是由于无法直接驱动车轮,中间经过了两次的能量转化,效率下降了不少.
　　所以,很多时候串联的混动车,告诉的油耗反而会比油车高.
　　所以串联式混合动力这种车,如果想在驾驶体验不相对油车有下降的话.
　　发动机和两个电机的性能必须足够好,成本和重量会急遽上升,这和节油省下来的钱相比,可能不是一笔划算的帐.
　　而,即使保证了以上的话,也只能在中低速加减速驾驶的工况下能够体现出较好的节油优势.
　　人们觉得,这和初衷不对呀.
　　一定是打开方式不对,一定有更好的方法的.
　　确实是,一定有的.3.需求之工况要在覆盖的多一点:并联式
　　那,有没有别的办法:
　　可以不用每一个部件都做的特别强,也能保持足够的加速能力.而且大部分时间能比油车省油呢.
　　这就是并联式的由来了,先看一下下面的结构
　　发动机和电机变成了一个并行的机构,所以他们可以一起去驱动汽车.
　　这就导致了,原来一个人要做的活,在某些时候可以两个人一起来分担了.
　　而且,这个＂某些时候＂的其实还是覆盖了我们比较大部分的使用工况的.
　　即:中低速的加减速形式.
　　这样,两个系统都不需要设计的特别强悍,成本和重量都得到控制了.
　　而之前串联式的固有问题:长期高负荷或长期中高速巡航.
　　在并联式上也并没有完全解决,但是会比串联式好不好了.可能只会比油车稍稍差一点,甚至能够接近打平.
　　先看高负荷的工况,在电池电量耗尽以后,会和串联式一样进入尴尬的＂干吼＂阶段.
　　而且,这个时候的发动机很可能会比串联式的更小,所以吼得会更撕心裂肺.
　　在看下长期中高速巡航时的情况,这时候的电池只有电耗完或者电量不动两种选项.
　　发动机变成和油车一样的驱动模式,只不过多了一套电机和电池的重量,或稍稍的吃力那么一点点.
　　在我们的日常驾驶中,中低速的加减速和中高速的续航可能以及覆盖了大部分的使用工况了.
　　这里两个地方,并联的表现都还不差.只是高负荷还差点意思.
　　这样,并联式的混动系统,在综合我们整个驾驶模式来看的话.
　　可能已经相对油车有一定的优势了.
　　只是还不够完美.
　　这是因为,并联式有一个小弱点:发动机在驱动车辆的同时,无法为电池进行充电.
　　这,意味着,在行驶中没有主动根据电池电量对电池进行充电的能力.
　　在发动机可以悠闲的工作在最高效率区间,主动为电池充电的能力.
　　即使发动机驱动车辆有余力的时候,也无法为电池充电.
　　能量,有消散在风中了.
　　在行驶中,这块电池的电量,稍微有点听天由命
　　成为一块薛定谔的电池
　　这就导致了无法根治相对长期高负荷或者中高速续航时的电量需求.
　　甚至,在有些时候,需要电机帮助的时候,发现电池是没电的状态.4.我命由我不由天之:混联(丰田THS)
　　那,有没有一个系统,可以让发动机在有余力的时候边驱动车辆,边给电池充电呢.
　　这样,才可以根据我们的驾驶,电池的电量,来主动的控制发动机的启动.
　　让他尽可能多的时间内,工作在最佳效率区间.
　　然后,人们就想出来了混联式的系统.
　　看下面的图片,发动机可以边驱动车辆,边给电池充电.
　　或者,边驱动车辆边给驱动电机供电.
　　这样的话:发动机和电机都需要做得特别强大整个动力系统有了自己的主动性,只要策略得当,能够覆盖绝大部分的驾驶工况,都不会让这套系统露馅.
　　这,其实已经是全天候的可以吸收发动机所有产生能量的系统了.
　　基本上,上时间中高速续航时已经能够让发动机尽量的都工作在效率区间了.
　　一定时间的高负荷也可以应付.
　　只不过,遗憾的是.它还是解决不了比较极限的长期高负荷工况.
　　而且,中高速巡航时发动机还是需要一部分能量的二次转换,会比发动机直接驱动来的效率低
　　这也是目前丰田混动系统的核心,通过一个巧妙的行星齿轮系统.
　　将发动机,驱动电机,发电机和车的运动高效率的结合在一起.
　　关于这个系统的工作原理,如何让一个小小的行星齿轮组可以实现非常复杂的控制策略.
　　可能需要另外在写一篇文章.
　　(其实是我才疏学浅,不然用简单几句描述出这个系统及基本的工作原理.等我在憋一憋等能说服自己的时候,在给大家汇报一下.)
　　但,这个系统的工作原理就是上面说的混联的模式,所以该有的优缺点都有,只是做了及尽可能的优化.
　　而且关键的是,这个行星齿轮系统技术被丰田垄断了,除了拿到授权的,不给别的厂家用.
　　导致了很长一段时间内的孤独求败,而且不允许被模仿,也就不会被超越.5.我要胜天半子之:另辟蹊径(本田i-mmd)
　　然后,有本田这么一个技术狂热爱好者.
　　以他骄傲的性格,肯定不允许自己模仿别家的技术,但是他也不允许自己输.
　　然后,我们就看到了,他带来的另类的 i-mmd 系统.
　　看下面的图,它是一套串联是混合动力系统,再加上一个离合可以使发动机单纯的直接驱动车辆.
　　在绝大部分的行驶工况中,它就是以串联式的工作模式.
　　在电量足够或者负荷够低的时候,纯电驱动.
　　需要更多功率的时候,发动机介入.
　　而且在有余力的情况下,这个系统也有一定的主动性,可以提前为电池补点.
　　只是,在这种模式下串联式该有的毛病他都有:
　　比如,电机和发动机的性能为了覆盖各种加减速工况,性能要足够强大.
　　比如,长期高负荷下,发动机会不得不进入＂干吼＂模式,效率直线下降
　　而串联式的另外一个毛病,长时间的中高速续航.却被强硬的i-mmd
　　当车速超过 70km,且电脑判断在巡航的时候.
　　发动机会从驱动电机的状态中脱开,直接带动车辆行驶.
　　这样,有回归到了最淳朴的油车模式了.基本上,油耗会和油车一样.
　　这个系统,其实对比丰田的 THS.无论硬件和策略上都会简单粗暴很多,但是确实是达到了基本一致的水平.
　　而,之前为什么一直没有人能够做出来,我再次做了一个主观臆断.
　　因为本田刚好对发动机非常拿手.
　　混合动力系统,是发动机和电机电池共同配合的一个系统.甚至是电机电池辅助发动机让他发挥最大效用的系统.
　　所以,之前在发动机上花得每一份力气都不会白花
　　而,当我们再谈弯道超车,有没有想过我们民族品牌的混动系统在发动机有多少技术上的沉淀.
　　发动机,会很大程度上决定这公司的混合动力水平.6.两家混动系统的区别:划重点了
　　THS:
　　优点:发动机在驱动的同时可以对电池充电,在策略上会拥有更大的主动性,所以能够在日常的加减速驾驶中更大范围更有效的省油.
　　缺点:中高速巡航即使发动机可以工作在最高效率区间,但是无法直接驱动车辆,会有能量多次转换的损失.
　　i-mmd:
　　缺点:发动机无法在驱动车辆的同时为电池充电,丧失了一定的主动性.所以对加减速较多或高负荷驾驶较多的时候,会显得不那么省油.
　　优点:中高速时,发动机直接驱动,没有二次能量转化损失.
　　结论:
　　高速多:选本田
　　城市多:选丰田
　　而,以上的差距其实是硬比较出来的,其实无论怎么开,差距都微乎其微.
　　这两家的系统,只要你喜欢的车型,放心选就可以,在节油效果上不会有太大的差别.
　　以前都说,神仙大家,百姓遭殃.
　　在商业世界的竞争时,有时候神仙大家,却真的是消费者的幸运.
　　在丰田技术垄断了混联这么多年以后,终于有一个不需要大擦边球,有能够在实际疗效上真正和丰田掰一掰手腕的系统出现.
　　至少,在选择上,我们就多了一个不是.
　　而这,很有可能倒逼推新技术像挤牙膏一样的丰田继续推出更加变态的混动系统.
　　至于到底哪个好,上面也说了两个系统各自的优缺点了.
　　架都打到这个地步了,目前我没看出来明显的压倒性优势,就看自己更多是属于哪种驾驶情况.
　　然后选择一个适合自己的吧.
　　祝您,用车愉快.彩蛋及求生欲
　　本文的大部分图片,都是自己临时用 PPT 做的,显得简陋的一逼.
　　只是,做都做出来了.至少不会有版权问题, 有需要的兄弟就拿去用吧
　　其实,捯饬捯饬还是个不错的小讲义呢.
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　　另外,验证声明.我也不是动力链相关系统工作的,只是把这些系统的原理梳理成了我这个笨脑袋可以接受和理解的样子.
　　肯定很粗糙,肯定有疏漏,甚至有硬伤.
　　如果有动力链或者混动系统的专家看到错误的地方,一定要来打我的脸,狠狠的打我的脸.
　　毕竟,把真正正确的知识呈现给大家,才是最重要的.
　　脸,一直都在,快来打吧.
　　及,一个丰田的员工,如此毫不偏袒自家的混动技术,怕是年终奖不保了,打架多多打赏点赞转发吧.